MASTER UNIVERSITARIO INTERSEDE IN SCIENZE COSTIERE APPLICATE

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1 Università degli Studi di Parma Dipartimento di Ingegneria e Architettura Dipartimento di Scienze della Terra MASTER UNIVERSITARIO INTERSEDE IN SCIENZE COSTIERE APPLICATE ANNO ACCADEMICO Un sistema informativo ambientale per la gestione del mare: uso del free software Ocean Data View Relatore Chiar.mo Prof. Giuseppe M. R. Manzella Candidata Dott.ssa Chiara Romano

2 Università degli Studi di Parma Dipartimento di Ingegneria e Architettura Dipartimento di Scienze della Terra MASTER UNIVERSITARIO INTERSEDE IN SCIENZE COSTIERE APPLICATE ANNO ACCADEMICO Un sistema informativo ambientale per la gestione del mare: uso del free software Ocean Data View Relatore Giuseppe M. R. Manzella Giuseppe M. R. Manzella ENEA-CRAM S. Teresa Candidata Chiara Romano Dott.ssa Chiara Romano

3 INDICE 1. Importanza dei dati per la gestione dell ambiente costiero pag Strumenti per la raccolta dei dati pag Procedura controllo di qualità dei dati pag Informazioni che accompagnano i dati: i metadati pag SeaDataNet: un esempio di infrastruttura Pan-Europea pag Uso dei vocabolari controllati pag Format condivisi pag Ocean Data View pag Conclusioni pag. 31 APPENDICE 1 pag. 36 APPENDICE 2 pag. 38 Bibliografia pag. 40 1

4 1. Importanza dei dati per la gestione dell ambiente costiero I dati sono di vitale importanza sia per la ricerca marina e oceanografica, sia per applicazioni nel campo marittimo (la costruzione di navi, per esempio, necessita di conoscenze di fluidodinamica e quindi di dati). La loro raccolta è necessaria per interpretare il moto ondoso, studiare i meccanismi degli scambi tra il mare e l atmosfera (e quindi il clima), per studiare i parametri biologici e fisico-chimici del mare e poter fare delle valutazioni sull ecosistema marino. L interpretazione dei dati ci permette di fare previsioni sullo stato del mare, da utilizzare per la pesca, per la navigazione, per la salute degli ecosistemi, etc. Oltre gli aspetti pratici che vi sono nel campo marittimo, i dati, in definitiva, permettono di studiare le complesse relazioni non lineari tra fenomeni fisici, chimici e biologici, dalla cui conoscenza si ottengono quelle informazioni che permettono di gestire in maniera ottimale l'ambiente marino. Ma vi è anche un aspetto, che è necessario sottolineare, in un mondo in cui uso del territorio, attività economiche e salute pubblica sono strettamente correlati, secondo quei concetti di sviluppo sostenibile che talvolta non sono compiutamente capiti nei suoi aspetti partecipativi. Questi infatti richiedono che ogni cittadino sia coinvolto nel processo decisionale e quindi abbia gli strumenti cognitivi per poter fornire il proprio parere. Questa è la società della conoscenza che i legislatori Europei intendono rafforzare e alla cui base vi è l'accesso ai dati. L importanza dei dati ambientali marini sta nella loro unicità e non riproducibilità. Il dato raccolto in quel momento e in quelle date condizioni meteo-marine sarà unico e la sua conservazione è importante per le ragioni sopra esposte, ma anche perché si può disporre di una serie temporale che permette di valutare i trend e quindi conoscere se (per esempio) le azioni fatte per la difesa ambientale sono efficaci o no. Negli ultimi anni l interesse della comunità mondiale verso le problematiche ambientali quali il riscaldamento globale, la salvaguardia dell ambiente e i cambiamenti climatici, è aumentato enormemente e così anche la richiesta di risposte dalla comunità scientifica, tutto questo implica la costruzione di modelli che possano prevedere quello che succede. Negli anni la tecnologia e la metodologia per la raccolta dei dati è stata migliorata, cercando di renderli il più accurati e precisi possibile, sono aumentate anche le organizzazioni o gli enti per la raccolta; sono stati redatti dei protocolli da seguire per uniformare la raccolta dati a livello mondiale e sono nate delle banche dati per archiviarli. Nei paesi confinanti con i mari europei, più di 1000 laboratori scientifici, sotto la guida di organizzazioni governative e dell'industria privata, raccolgono dati utilizzando vari sensori a bordo di navi da ricerca, sottomarini, piattaforme fisse e alla deriva, aerei e satelliti per misurare parametri fisici, geofisici, geologici, biologici, chimici, e altro. 2

5 Molte lezioni sono state imparate da chi osserva il mare e lo studia. Innanzitutto, per poterlo misurare è importante conoscere il mare in tutte le sue componenti. Sembra quasi un ossimoro per cui si vuole osservare qualche cosa che bisogna conoscere. In effetti questo è il risultato proprio dell'incremento delle conoscenze, che a sua volta ci porta a ipotizzare l esistenza di fenomeni prima non prevedibili e quindi a raccogliere nuovi dati. Ma questo processo richiede spesso la costruzione di nuovi sensori e nuove piattaforme così come lo sviluppo di nuove metodologie di campionamento. Tutte le informazioni relative a tecnologie e metodologie devono essere conservate assieme ai dati, passando quindi dal concetto di 'banca dati' a quello di 'sistema informativo'. Questa tesi trova le sue ragioni in una serie di iniziative condotte a livello Europeo per la gestione dell'ambiente marino. Nella comunicazione della Commissione Europea COM(2007) 575 An Integrated Maritime Policy for the European Union, meglio conosciuta con il nome di Blue Book, viene affermato: Availability and easy access to a wide range of natural and human-activity data on the oceans is the basis for strategic decision-making on maritime policy. Given the vast quantity of data collected and stored all over Europe for a wide variety of purposes, the establishment of an appropriate marine data and information infrastructure is of utmost importance. La gestione dei dati quindi risulta uno dei tasselli della Politica Integrata Europea Marino- Marittima, che ha gli obiettivi di: creare le condizioni ottimali per un uso sostenibile degli oceani e dei mari, permettendo la crescita del settore marittimo e delle regioni costiere; costruire una base di conoscenza ed innovazione per la politica marittima; permettere la più alta qualità di vita nelle regioni costiere; promuovere una leadership Europea negli affari marittimi internazionali; Nel 2010 la DG MARE (Directorate-General for Maritime Affairs and Fisheries) ha lanciato la comunicazione Marine Knowledge 2020 che propone di liberare il potenziale di conoscenza dell'ambiente marino europeo. Esso mira principalmente a migliorare la nostra comprensione dei mari e degli oceani europei, rendendo l'utilizzo di dati marini più semplice e meno costoso e favorire la competitività tra gli utenti dei dati marini Strumenti per la raccolta dei dati. L acqua marina è composta per il 96,5% da acqua ed il 3,5% da sali disciolti quali Na +, Cl -, Mg 2+, SO 4 2-, Ca 2+, K + ; i flussi di calore, l evaporazione, le piogge, i fiumi e lo 3

6 scioglimento dei ghiacci vanno ad influire su quelli che sono i parametri fondamentali dell acqua di mare: temperatura, salinità, densità, pressione, ossigeno disciolto, nutrienti, torbidità, corrente. La misurazione di questi parametri, che non avviene per tutti in maniera diretta perché alcuni di essi sono ricavati da altri, fornisce dei numeri, espressi in unità di misura, e questi numeri sono i dati. Gli strumenti utilizzati per la raccolta dei dati sono diversi a seconda delle informazioni che si vogliono avere, a seconda di chi raccoglie i dati e della disponibilità economica. Le misure servono a determinare il valore di una particolare grandezza e la misurazione è soltanto una stima che diventa completa (assume significato) solo se si aggiungono informazioni sulla taratura degli strumenti e sull incertezza, cioè quanto è giusta la misura. Prima di effettuare la misura bisogna analizzare il sistema di misura stesso, questo consente di determinare cosa può influenzare e modificare i risultati ottenuti da esso e lo si può così utilizzare al meglio. Conosciuti i limiti dello strumento si può determinare il modo di utilizzo tenendo conto dei requisiti di accuratezza, delle condizioni in cui si usa lo strumento, se sono statiche o dinamiche, e di eventuali integrazioni con altri strumenti. Le condizioni del sistema in cui si effettua la misura sono molto importanti perché le condizioni statiche implicano variabili diverse dalle condizioni dinamiche. Quando si lavora in condizioni statiche l errore nelle misurazioni è dato dal valore riportato meno il valore vero, quest errore può essere di due tipi: Sistematico: un errore che si ottiene per cause intrinseche del sistema di misura e lo si può quantificare e compensare con delle correzioni; questo errore influenza la media delle misure, la differenza tra il valore di riferimento e la media delle misure è detta accuratezza, si esprimerà quindi il valore della misura con affianco il valore ± dell accuratezza. Casuale (stocastico): è un errore che non si può prevedere, non si può correggere, ma lo si può ridurre aumentando il numero delle misurazioni. L errore casuale si calcola considerando tutte le misurazioni (i-esime) e trovando il valore medio di esse, da cui si ricaverà la deviazione standard, ovvero di quanto i valori si discostano dal valore medio. Uno dei vantaggi del lavorare in condizioni statiche è la ripetibilità della misura, un sistema statico consente di riavere quelle stesse condizioni più e più volte. Un sistema statico è inoltre un sistema lineare e questo permette una correzione della misura in maniera semplice. Al contrario in un sistema dinamico la prima variabile da considerare è la transitorietà del sistema, il dato raccolto in quel momento non lo si riavrà mai più, il sistema dinamico come dice il nome stesso, è qualcosa in movimento, qualcosa che cambia di continuo. Altra variabile è il tempo di risposta cioè il tempo necessario ad avere dei segnali di risposta significativi; infine la frequenza di campionamento ovvero il numero di volte con cui viene effettuata la misura. 4

7 Con qualsiasi strumento venga effettuata la misura, e per qualsiasi tipo di misura, è necessario calibrare lo strumento: lo si regola in modo da migliorarne l accuratezza. Quest operazione richiede il confronto con delle misure di riferimento prodotte utilizzando uno strumento campione. L utilizzo degli strumenti è legato al parametro di cui si vogliono avere i dati: Temperatura. È un parametro facile da misurare, ma difficile da definire; il valore che si misura è un concetto relativo che implica il riferimento ad uno standard contenuto nella ITS 90 (International Temperature Scale). Il valore della temperatura si misura con il termometro e nel campo dell oceanografia ne esistono di diversi tipi: termometria standard e termometri a rovesciamento, funzionano con la dilatazione della colonna di mercurio al variare della temperatura e sono usati per il controllo in mare di altri sistemi o di misure puntiformi (Bottiglia a rovesciamento o Niskin-rosette sampler system); termometri termoresistivi-metallici e semiconduttori detti anche termistori, usano la variazione delle caratteristiche elettriche (resistenza) al variare della temperatura, sono utilizzati per la misura della temperatura in funzione della profondità e del tempo (catene di termistori, XBT, CTD); termometri all infrarosso o radiometri, misurano la radiazione emessa dai corpi caldi e trovano applicazione nella misura remota della temperatura superficiale (radiometri satellitari). Profilatore CTD: le misurazioni CTD sono basilari nell oceanografia per caratterizzare le diverse masse d acqua, grazie ai dati raccolti forniscono diagrammi di temperatura e salinità. Misurano simultaneamente in-situ conducibilità, temperatura e profondità generalmente abbinabili a sensori per la misura di altre grandezze bio-oceanografiche (ossigeno, ph, fluorimetro, torbidità, etc.) di cui forniscono i profili continui lungo tutta la colonna d acqua al variare della profondità. Si può avere un unità singola di CTD (CTD profiler) oppure abbinata ad un campionatore d acqua (CTD package). Il profilatore può essere operante su navi in movimento e trainato superficialmente e/o oscillare, può essere a perdere (XCTD), può essere posizionato su boe ancorate o su strutture sul fondo, può essere attaccato su un sistema a caduta libera. Lo standard attuale dei CTD è il modello SEABIRD 911 plus. L acqua richiamata dalla pompa in aspirazione passa prima nel sensore della temperatura e successivamente nella cella della conducibilità (per il calcolo della salinità). Il flusso dell acqua è costante e la costante di tempo di C è data dal numero di giri della pompa (ovvero i giri al secondo). Il sensore della conducibilità è totalmente interno e a tre elettrodi, invece quello della temperatura è un termistore invecchiato. Sistema XBT (Expendable Bathythermograph): il batitermografo è una sonda che misura solamente la temperatura, mentre la profondità viene calcolata sulla base del tempo che la sonda impiega a profilare. Ha un accuratezza scarsa. Lo XBT è composto da un sensore di temperatura a perdere (probe), un sistema di lettura-acquisizione dati e un lanciatore di bordo. Fornisce i profili della temperatura, in funzione della profondità, da una nave in movimento; il probe a perdere è dotato di una sonda con termistore ed è 5

8 collegato a bordo da un sottile cavo bipolare che si srotola da due bobine (bordo-sonda) disaccoppiando il movimento nave dalla discesa in caduta libera della sonda. La speciale forma idrodinamica della sonda garantisce una velocità di discesa controllata e nota e, misurando il tempo necessario alla discesa e conoscendo la velocità, si ricava la profondità. Tutto questo è effettuato dal sistema di bordo che misura la variazione termica attraverso il termistore della sonda, in collegamento via cavo; quando arriva sul fondo, o al termine del cavo, la sonda viene persa con la rottura del cavo stesso. Nei vecchi modelli i dati venivano registrati in forma analogica su carta, ora sono acquisiti in forma digitale, analizzati e restituiti anche in forma grafica attraverso un PC. I vantaggi degli XBT sono innanzitutto la facilità di utilizzo, le misure senza operazioni restrittive per la nave, le operazioni possibili su navi di opportunità e senza personale specializzato e si può effettuare il lancio anche in condizioni di mare mosso. Presenta anche degli svantaggi quali la scarsa accuratezza (±0,1 C) a causa della deriva del tempo dei termistori, ha problemi di invecchiamento, per indagini oceanografiche può essere necessaria una calibrazione prelancio, infine hanno un costo non trascurabile soprattutto per le acque profonde. Immagini da satellite: dal satellite vengono eseguite misure di temperatura superficiale, colore del mare (normalmente associato a clorofilla), altezza del mare con metodologie che differiscono da parametro a parametro e queste misurazioni da lontano (remote sensing, telerilevamento) danno la possibilità di campionare la ricchezza di strutture nel mare, mostrando l importanza della circolazione, l impatto sul clima e la biologia del mare. Si può avere il risultato della misura per la temperatura con il ritardo di un giorno, del livello del mare con ritardo di qualche giorno, dei venti atmosferici sempre con un ritardo di qualche giorno e la presenza della clorofilla in acqua. Salinità. La sua definizione è cambiata negli anni e recentemente è stata adottata la cosiddetta Salinità Assoluta che è una misura di concentrazione basata sulla conducibilità di KCl. Originariamente la sua definizione era il peso in grammi di tutti i sali esistenti in un kg di acqua marina, quando tutti i carbonati erano stati convertiti in ossidi, il bromo e lo iodio sostituiti dal cloro, e tutte le sostanze organiche completamente ossidate. Praticamente si misurava la clorinità conoscendo la proporzionalità dei componenti: salinità = La misurazione può avvenire in maniera elettrica (conducibilità) o chimica (titrazione). La misurazione elettrica può essere di due tipi: induttivo o ad elettrodi (conduttivo). Nel tipo induttivo si ha una cella basata su un doppio trasformatore di forma toroidale assemblato coassialmente, il primario del primo trasformatore riceve il segnale di eccitazione (AC), il secondario del secondo trasformatore lo rileva. L accoppiamento tra i due avviene attraverso la spira conduttrice generata dall immersione della cella nell acqua marina che agisce da avvolgimento secondario nel primo trasformatore e da primario nel secondo; ogni variazione di resistenza elettrica della spira, quindi di conducibilità dell acqua marina, genera una corrispondente variazione del segnale di uscita. I vantaggi di questo metodo sono la robustezza e la facilità costruttiva, in più si hanno pochi problemi di corrosione e 6

9 biofouling. Gli svantaggi comprendono innanzitutto una cella costruttivamente troppo grande e quindi una risoluzione spaziale limitata, in più la cella è parzialmente aperta ed è influenzabile da oggetti posti nelle vicinanze o limitati volumi di acqua circostante, infine necessità di bagni di calibrazione con volumi di acqua considerevoli (100 litri). Il metodo conduttivo invece si basa sulla misura diretta della conducibilità dell acqua attraverso la legge di Ohm, rilevando il rapporto tra la corrente che passa nell acqua della cella e la corrispondente caduta di tensione. La cella è generalmente costituita da due o più elettrodi (4 normalmente: due per la corrente e due per la tensione). Il profilatore CTD Sea Bird ne è un esempio con la sua cella a campo totalmente interno, il Neil Brown ha invece le celle parzialmente a campo esterno. Il metodo ad elettrodi è comunque il più usato per le misure in-situ e in laboratorio (Salinometro), con il metodo Neil Brown si raggiunge un elevata miniaturizzazione e quindi un elevata risoluzione spaziale per gli studi sulla microstruttura. Sono strutture parzialmente sensibili al campo esterno e necessitano di notevoli volumi di acqua per la calibrazione in laboratorio, solo le celle a campo interno sono di dimensioni ridotte e richiedono ridotti volumi di acqua. La costante di tempo è data dal tempo di lavaggio della cella e nel caso di profilatore CTD dal tempo di discesa. Corrente. È una grandezza vettoriale e si esprime i cm/s o nodi se si parla di velocità, e in gradi o radianti se si vuole esprimere la sua direzione. Si usano due metodi: il metodo Langrangiano e il metodo Euleriano. Il metodo Langrangiano usa dei sistemi derivanti, i Drifters: sostanze traccianti come la rodamina e la fluorescina; la crociera o il paracadute collegati con un cavo ad una boa che ne segnala il movimento; l Holey sock è il tracciamento superficiale tramite posizionamento satellitare ARGOS; lo Swallow floats ovvero un pinger acustico a bassa frequenza racchiuso in una sfera di vetro prebilanciato di modo che una volta lanciato dalla superficie raggiunge un posizionamento in profondità, in equilibrio con la massa d acqua circostante di cui segnala il movimento, è quindi un tracciamento acustico basato su un intervallo di tempo necessario al segnale per coprire la distanza emettitore-ricevitore; ALACE (Autonomous Langrangian Circulation Explorer) è un sistema derivante profondo capace di posizionarsi alla profondità voluta cambiando il proprio volume (densità), ciclicamente ritorna in superficie dove viene localizzato e trasmette i dati che ha immagazzinato (profili CTD e di temperatura) attraverso il sistema satellitare ARGOS, il tracciamento della deriva si ricava interpolando le varie posizioni (partenza ed arrivo) in superficie. Nel metodo Euleriano sono utilizzati: i correntometri tradizionali, a elica o a rotore, con i quali si misura l intensità della corrente rilevata dal numero di giri del rotore in un determinato intervallo di tempo e la direzione dalla orientazione di un timone rispetto al nord magnetico; correntometri acustici col sistema Neil Brown basati sulla misura della differenza di fase tra i segnali acustici emessi-ricevuti dalle coppie di trasduttori, noti C ed L, aumenta la risoluzione nella misura della velocità aumentando il percorso del segnale acustico (riflettore acustico) senza cambiare la distanza tra i trasduttori (risoluzione spaziale); ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) si basa sull effetto doppler, cioè sfrutta gli echi di ritorno (backscatters) delle particelle sospese in acqua e 7

10 permette di misurare il vettore della velocità della corrente nei vari strati della colonna d acqua sopra/sottostante, lo si può installare sulla chiglia di una nave o su una boa subacquea. Pressione. È la forza per unità di superficie, la sua unità di misura in SI è il Pascal = Newton/m 2. Viene misurata per conoscere parametri oceanografici legati alla sua variazione quali onde, maree e profondità. Secondo l equazione idrostatica P = gρz, con g accelerazione di gravità, z profondità e ρ densità, e assumendo che il mare ha una densità media costante, esiste una proporzionalità tra pressione e profondità; in oceanografia l unità di misura che si usa per la pressione è il decibar che equivale a 10 4 Pascal e che corrisponde a circa 1 m di profondità. Per la misurazione sono utilizzati sia strumenti analogici che digitali. Le misure analogiche sono effettuate o tramite elementi sensibili alla pressione, basati su colonna di liquido di densità conosciuta oppure elastici (diaframma, soffietto, tubo di Bourdon), oppure sono accoppiati con elementi di rilevazione e misura di tipo potenziometrico, strain gauge, capacitivo, induttivo o ottico. Le misure digitali, invece, utilizzano elementi a circuito risonante di tipo vibrante meccanici (corde, cilindri, diaframmi) o elettronici (capacità, induttanze, quarzi). Boe off-shore: sono un insieme di strumenti. Considerate piccole isole, sono in realtà delle piattaforme che misurano lunghe serie temporali sia a livello climatico sia a livello di cambiamenti ambientali; misurano e analizzano, a bordo, il fenomeno dell iterazione ariaacqua; serie temporali di dati sui parametri dell acqua nel punto di ancoraggio; effettuano misure ondametriche in-situ; forniscono dati sulla corrente marina in mare aperto per gli studi sui movimenti delle masse d acqua; effettuano indagini biologiche circa le comunità animali e vegetali che si insediano attorno e sulla boa stessa. Nel Mar Ligure, a 72 km da Genova, è ancorata la W1-M3A (west Mediterranean Multi Mooring) detta anche ODAS Italia 1 che è gestita dal CNR. Questa boa è ancorata a 1377 m di profondità e la parte galleggiante è lunga 51,22 m, pesa 12 tonnellate e a bordo ha un piccolo laboratorio ed una piccola stazione metereologica posizionati nella testa della boa. I sensori per le indagini a mare forniscono dati su temperatura, conducibilità, pressione, ossigeno disciolto, clorofilla A totale, torbidità, altezza onde e direzione, profili sulla corrente e nutrienti. I dati sono raccolti a bordo e registrati in un data base ogni tre ore (00, 03, 06, 09, 12, 15, 18, 21); vengono trasmessi tramite segnale GSM a terra ogni sei ore quando ci sono almeno 2 data record disponibili. La comunicazione tra la W1-M3A, la stazione in superficie, e la boa ODAS in profondità avviene tramite una coppia di modem acustici della LinkQUEST. Ogni due ore il modem installato sul fondo a 1000 m di profondità, invia al modem della stazione in superficie segnali su conducibilità, temperatura e profondità acquisiti grazie ad un probe CTD. Queste informazioni sono integrate con tutti i dati collezionati dalla boa e trasmessi alla stazione a terra. 8

11 1.2. Procedura Controllo di Qualità dei Dati. Un fattore importante nella diffusione dei dati è la velocità con cui questi sono trasmessi. È necessario trasmettere dati in tempo reale affinché vengano assimilati in modelli numerici che forniscono un'analisi più precisa dello stato del mare e previsioni più realistiche delle caratteristiche future dell oceano. Prima che i dati siano diffusi deve essere assicurata la loro qualità. Normalmente l attività che assicura una buona qualità viene effettuata secondo due processi che prendono il nome di Quality Assurance e Quality Control. La Quality Assurance è formata da quelle procedure da applicare prima e durante la raccolta dei dati ed include la preparazione del personale, i test degli strumenti e la loro calibrazione, nonché il controllo dei dati e degli strumenti durante l acquisizione. Il Quality Control si effettua dopo la raccolta dei dati ed include anche dei controlli di tipo statistico. I criteri e le procedure per i controlli di qualità vengono definiti a livello internazionale nell ambito dei programmi dell Intergovernmental Oceanographic Commission dell UNESCO (ed in particolare nel programma International Oceanography Data Exchange IODE) in collaborazione anche con una altra organizzazione internazionale denominata Scientific Committee for Ocean Research (SCOR). Controlli di qualità possono essere fatti in tempo reale o a posteriori. Nel primo caso il controllo di qualità avviene con un minore numero di procedure di lavoro rispetto ai dati archiviati. In generale, dati di buona qualità possono essere ottenuti solo seguendo precise metodologie e protocolli durante tutte le fasi della raccolta, dalla preparazione delle crociere all utilizzo degli strumenti (es. preparazione del personale, il controllo della strumentazione, calibrazione) sino all elaborazione e all invio degli stessi. Effettuata l acquisizione esistono dei principi generali basati su 7 passaggi fondamentali per i dati in tempo reale: 1. Ogni osservazione in tempo reale trasmessa alla comunità oceanografica deve essere accompagnata da un buon descrittore di qualità. 2. Tutte le osservazioni dovrebbero essere automaticamente oggetto di un test per la qualità del dato. 3. I test di qualità devono essere sufficientemente descritti nei metadati. 4. Gli osservatori dovrebbero verificare o calibrare, in modo indipendente, il sensore prima della distribuzione. 5. Gli osservatori dovrebbero descrivere il loro metodo/taratura in tempo reale nei metadati. 9

12 6. Gli osservatori dovrebbero quantificare il livello di precisione di calibrazione e i relativi limiti di errore. 7. Sono necessari controlli manuali sulle procedure automatizzate, i dati raccolti in tempo reale e lo status del sistema di osservazione, devono essere forniti da un osservatore, su una opportuna scala temporale, per garantire l'integrità del sistema di osservazione. 10

13 2. Informazioni che accompagnano i dati: i metadati. Fino a qualche anno fa tutti i dati provenivano da fonti diverse e soprattutto venivano raccolti solo su richiesta di specifico uso: previsioni climatiche, studio di un ecosistema, etc. Esistevano delle banche dati centralizzate dove solo pochi partecipavano. Lo scambio dei dati avveniva su richiesta e venivano spediti o inviati su floppy disc o CD-ROM da parte dell ente o dell organizzazione che li possedeva. La situazione col passare del tempo è cambiata per vari motivi, tra cui la sempre più crescente richiesta di dati da parte di ricercatori, operatori ambientali e cittadini, e dalla quantità enorme di dati che viene prodotta con le odierne tecnologie (il diluvio di dati - data deluge ). Vi è stata una esigenza ed una forte richiesta affinché i dati fossero organizzati, raccolti, conservati e inseriti all interno di banche dati che ne rendessero disponibile l uso ai più. I risultati della raccolta dei dati sono foto, fogli di calcolo, mappe, grafici, file di dati, ecc, questi oggetti sono utili ma generalmente non contengono informazioni su come, dove e da chi i dati sono stati raccolti. Innanzitutto, bisogna distinguere tra dato ed informazione. I dati sono osservabili, valori grezzi che sono il risultato di misure; questi valori possono essere numerici (come nella misurazioni di temperatura o di salinità) o nominali (come nei censimenti di specie per particolari regioni). Il termine informazione è comunemente usato per quei dati che sono già stati processati e si è giunti ad una conclusione. I dati da soli potrebbero essere interpretati in maniera non corretta se non si conoscono (per esempio) le condizioni ambientali in cui sono state svolte le misure, le tecnologie, le piattaforme usate, eccetera. Tuttavia, se si forniscono le giuste informazioni descrittive, i dati possono essere trasformati in informazioni corrette. Le ulteriori informazioni possono includere la latitudine e la longitudine, la data di raccolta, la precisione della misura, la persona da contattare con domande sui dati, o il tipo di attrezzature utilizzate. La comunità scientifica chiama tutte le informazioni necessarie per meglio interpretare il dato con il nome di metadati. I metadati sono file di testo, associati ai dati raccolti, che forniscono informazioni sui dati stessi; possono contenere diversi tipi di informazioni e costituiscono uno strumento per catalogare i file ed avere sempre a disposizione una scheda che documenti la natura del dato e le operazioni compiute su di esso. (Fig. 1.1.) 11

14 Fig. 1.1.: metadati di un set di dati in formato ODV. Metadati è una parola che è stata menzionata raramente in passato e da qui nasce un incertezza sulla qualità delle osservazioni storiche. Ora i metadati sono critici nella registrazione della provenienza di un set di dati. Una volta pubblicati, i dati devono rimanere disponibili e possono essere usati anche dopo la fine dei progetti che li hanno raccolti. Così, per capire i set di dati si rende necessaria una descrizione su: a. come gli strumenti di acquisizione sono stati progettati e costruiti (HOW); b. ciò che è stato acquisito (WHAT); c. quando, dove e come i set di dati sono stati raccolti e pre-trattati (WHEN, WHERE); d. una descrizione accurata delle fasi di elaborazione (HOW); e. chi ha acquisito ed elaborato i set di dati (WHO); f. perché i set di dati sono stati acquisiti e trattati (WHY). Ci sono ancora molti ostacoli alla fornitura di un set di dati per gli utenti intermedi e finali, alcuni dei quali sono legati alle tecnologie dell'informazione (ad esempio la codifica semantica, modello di dati). La codifica semantica è necessaria in quanto occorre definire ogni variabile con un nome unico e attribuire a tale nome un significato preciso. Il modello di dati è relativo al cosiddetto format con cui sono scritti. Nella Fig si dà un esempio di format Ocean Data View, ma ne esistono altri (inclusi i semplici formati tabellari ottenuti con EXCEL). Per accedere ai dati occorre avere un catalogo di essi. Tuttavia questi cataloghi (che permettono la selezione sulla base di richieste specifiche) possono essere costruiti in maniera diversa. Quindi per accedere a dati residenti in diverse banche occorre mettersi d accordo (tra l altro) sul contenuto del catalogo, sulla semantica e sul formato dei dati. In questo modo si arriva a rendere interoperabili sistemi differenti. 12

15 L'interoperabilità, intesa come la possibilità di accesso ed uso dei dati per chiunque, è stata definita come una delle priorità al fine di fornire agli utenti finali un più facile accesso ai diversi tipi di prodotti. L'interoperabilità non è un concetto nuovo nella scienza dell'informazione, l'idea è sempre stata quella di garantire che i dati e le informazioni possano fluire, nel modo più efficiente possibile, tra persone e sistemi. Quindi, i dati gestiti da più fonti eterogenee richiedono un'elaborazione complessa come la mediazione dei contenuti e l aggregazione. Questo non è un compito semplice, a causa della diversa gestione dei dati e dei diversi sistemi di elaborazione. La Direttiva 2007/2/CE del Parlamento Europeo e del Consiglio del 14 Marzo 2007 ha istituito un infrastruttura per l informazione territoriale nella Comunità Europea (Direttiva INSPIRE). Tale direttiva fornisce le linee guida per la diffusione dei dati e dei metadati basandosi sui seguenti punti: La politica della Comunità in materia ambientale mira ad un elevato livello di tutela tenendo conto della diversità delle situazioni nelle varie regioni della Comunità. Le informazioni, comprese quelle territoriali, sono necessarie anche per la formulazione e l attuazione di questa e di altre politiche comunitarie, che devono integrare disposizioni di protezione dell ambiente, come sancito dall articolo 6 del trattato. Per realizzare tale integrazione occorre istituire misure di coordinamento tra gli utilizzatori e i fornitori delle informazioni, per poter combinare le informazioni e le conoscenze disponibili in vari settori diversi. I problemi relativi alla disponibilità, alla qualità, all organizzazione, all accessibilità e alla condivisione delle informazioni territoriali sono comuni a molte tematiche politiche e categorie di informazioni e si riscontrano a vari livelli dell amministrazione pubblica. Per risolvere tali problemi sono necessarie misure in materia di scambio, condivisione, accesso e utilizzo di dati territoriali e di servizi relativi ai dati territoriali interoperabili tra i vari livelli dell amministrazione pubblica e tra i vari settori. Occorre pertanto istituire un infrastruttura per l informazione territoriale nella Comunità. La notevole diversità di formati e di strutture in cui vengono organizzati e resi accessibili i dati territoriali nella Comunità ostacola la possibilità di formulare, attuare, monitorare e valutare in maniera efficiente la normativa comunitaria che incide, direttamente o indirettamente, sull ambiente; per questo è necessario disporre di misure di attuazione per agevolare l utilizzo dei dati territoriali provenienti da fonti diverse in tutti gli Stati membri. Tali misure dovrebbero essere tali da consentire l interoperabilità dei set di dati territoriali e gli Stati membri devono garantire che i dati o le informazioni necessari per il conseguimento dell interoperabilità siano disponibili secondo condizioni che non ne restringono l'utilizzo per il suddetto scopo. Le disposizioni di esecuzione dovrebbero essere basate, ove possibile, su standard internazionali e non dovrebbero comportare costi eccessivi per gli Stati membri. All interno della direttiva, come detto prima, vengono fornite anche le istruzioni per la compilazione dei metadati; nel regolamento CE n. 1205/2008 della Commissione del 3 dicembre 2008 si stabilisce che : È necessario definire un set di elementi di metadati per consentire l'individuazione della risorsa di informazione per la quale sono creati i metadati, la loro classificazione, la loro ubicazione geografica e il riferimento temporale, nonché la 13

16 loro qualità e validità, la conformità rispetto alle disposizioni di esecuzione sull'interoperabilità dei set di dati territoriali e dei servizi, le limitazioni d'uso e di accesso e l'organizzazione responsabile delle risorse. Gli elementi di metadati legati al registro dei metadati stesso sono altresì necessari per controllare che i metadati creati siano aggiornati e per individuare l'organizzazione responsabile della loro creazione e del loro aggiornamento. Si tratta del set minimo di elementi di metadati necessari per conformarsi alla direttiva 2007/2/CE e non esclude la possibilità per le organizzazioni di documentare le risorse di informazioni in modo più ampio con elementi supplementari derivanti da norme internazionali o metodi di lavoro esistenti nella loro comunità di interesse. Non è esclusa neanche la possibilità di adottare linee guida stabilite e aggiornate dalla Commissione, in particolare quando è necessario garantire l'interoperabilità dei metadati. La Commissione Europea (DG MARE in particolare) ha varato vari regolamenti per implementare la Direttiva INSPIRE. Di seguito si presenta la lista dei regolamenti e gli standard definiti in sede internazionali. Commission Regulation 1205/2008 Metadata implementing rules (lineage ISO19101, metadata elements ISO19115, metadata on metadata ISO8601) Commission Regulation 976/2009 Network Services (ISO 19128, QoS, Discovery, View) Commission Regulation 268/2010 Response Time Commission Regulation 1088/2010 QoS (Quality of Service) Downloading Services Transformation Services Commission Regulation 1089/2010 Interoperability (ISO 19103, ISO 19107, ISO 19108, ISO 19111, ISO 19115, ISO 19127, ISO 19139) 2.1. SeaDataNet: un esempio di infrastruttura Pan-Europea. Un esempio di infrastruttura Pan-Europea è il progetto finanziato dall Unione Europea, ancora in corso di svolgimento ( ; ), SeaDataNet. Questo progetto è stato creato per la gestione, l indicizzazione e l accesso a set di dati, raccolti dalle crociere da ricerca e altre attività di osservazione nei mari europei e negli oceani. È sotto il controllo dei National Oceanographic Data Centres (NODCs) e dei servizi di informazione marini di importanti istituti di ricerca, provenienti da 35 paesi costieri che si affacciano sui mari europei. La rete SeaDataNet include anche Satellite Data Centers, centri esperti nella 14

17 costruzione di modelli e la Commissione Oceanografica Intergovernativa (COI) dell Unesco, il Consiglio per l esplorazione del Mare (ICES), e l EU Joint Research Centre (EU-JRC). SeaDataNet, quindi, dà una panoramica sulle varie organizzazioni marine in Europa e sul loro impegno nei progetti di ricerca marina, su come gestiscono i dati raccolti e come avviene l acquisizione dei dati attraverso crociere di ricerca e programmi di monitoraggio nelle acque Europei e negli oceani del mondo. La Fig mostra l'insieme di informazioni gestite e disponibili in SeaDataNet. Esse comprendono: European Directory of Marine Organisations (EDMO) che presenta la lista di circa 1500 organizzazioni che lavorano a livello pan-europeo per le ricerche in campo marino; European Directory of Marine Environmental Data sets (EDMED) che descrive circa 3500 data sets raccolti da istituzioni pan-europee; European Directory of Marine Environmental Research Projects (EDMERP) che descrive circa 1800 progetti; Cruise Summary Reports (CSR) che consiste essenzialmente in un rendiconto delle compagne di misura, secondo standard approvati in sede internazionale; European Directory of the Ocean-observing Systems (EDIOS) che da accesso a piattaforme (punti fissi) di monitoraggio in situ; questa directory è in fase di nuovo sviluppo in ambito di un progetto della DG MARE chiamato EMODnet Physical Parameters. Fig. 2.1.: provenienza delle informazione e gestione delle stesse in SeaDataNet. 15

18 SeaDataNet ha costruito un sistema standardizzato per la gestione dei dati di grandi dimensioni e dei diversi set di dati raccolti dalle flotte oceanografiche e dai nuovi sistemi di osservazione automatici; ha potenziato le infrastrutture già esistenti e messo in rete i vari centri nazionali di dati oceanografici e satellitari, di 35 paesi diversi, attivi nella raccolta di dati. L interoperabilità di SeaDataNet consiste nel: uso di vocabolari comuni; adozione dello standard ISO per i metadati; fornire servizi di validazione per il controllo della qualità della manutenzione dei metadati; usare dei format di trasformazione dei dati per la loro divulgazione; usare un protocollo comune per il controllo dei dati; fornire dei software standard; fornire un Registro Centrale per gli Utenti; usare i web services nella struttura di SeaDataNet. L accesso ai dati in SeaDataNet si basa sull utilizzo di Common Data Index (CDI) Data Discovery e Access Service, ovvero un indice di set di dati individuali basati sul formato standard ISO. All utente sono forniti un enorme volume di dati uniformati presi dalla rete SeaDataNet. La CDI query interface è la schermata dove è possibile inserire i criteri di scelta per il set di dati richiesto, il risultato della query sarà l elenco di dati e la loro localizzazione su una carta geografica. I dati sono presi dalla rete formata dalle banche dati differenti che formano la rete SeaDataNet. Insieme ai dati vengono forniti i relativi metadati che forniscono inoltre informazioni sul possibile utilizzo dei dati selezionati e sulla loro possibilità di uso pubblico. L interfaccia utilizzato è una sorta di negozio virtuale che permette di inserire nel carrello della spesa il set scelto. (Fig. 2.2.) 16

19 Fig.2.2. : passaggi per l acquisizione dei dati in SeaDataNet. (dal sito SeaDataNet) L utente dei CDI si troverà davanti a 2 interfacce: CDI Quick Search Interface funziona con il metodo drill-down, ovvero la ricerca penetra nei dati anche a diversi liveli di gerarchia; l utente ha immediatamente una panoramica dell intero range di dati, sia sulla mappa, sia tramite specifici campi di metadati. Molti dei campi utilizzano termini presi dai vocabolari comuni e ogni termine ha il riferimento per il campo del CDI database in cui compare. Cliccando su ogni campo o termine viene rinnovata la selezione in base alle restrizioni imposte, di fianco l utente può combinare le richieste con ulteriori criteri spazio-temporali. CDI Extended Search interface funziona con una combinazione di criteri diversi che possono essere impostati dall utente da un menu a tendina; una volta attivata la ricerca si ottiene il risultato. Non inserendo nessun criterio di ricerca verrà mostrato l intero CDI file come risultato. In questo modo si riesce a ricercare meglio e rapidamente set di dati marini, il CDI attualmente ha accesso ad oltre data set provenienti da più di 300 organizzazioni Europee Uso dei vocabolari controllati. Quando è partito il progetto SeaDataNet nel 2006, i vocabolari controllati esistevano già all interno della comunità di gestione dei dati oceanografici Europei, ma non erano descritti bene come erano invece gestiti. Il precursore di SeaDataNet, Sea-Search, riempiva il campo 17

20 dei metadati con delle librerie. Quale dovesse essere il contenuto dei vocabolari è stato stabilito successivamente dalle governance nella forma del Technical Task Team. Nel frattempo gli esperti nel settore disponibili sono aumentati, e le governance hanno dato un punto d appoggio più sicuro con la creazione del SeaVoX vocabulary governance group che è sotto l auspicio dello IODE MarineXML Steering Group. Da quando esiste SeaDataNet c è stata un esplosione nel numero dei vocabolari attraverso l aggiunta di termini e attraverso la creazione di nuovi vocabolari per riempire i campi dei metadati. Attualmente ci sono circa 100 vocabolari ritenuti interessanti per SeaDataNet e Geo-Seas, che vengono usati per compilare i metadati in EDMED, CSR, EDIOS, e documenti CDI. I vocabolari comuni sono un insieme di termini (parole, codici, ecc) che vengono utilizzati in una specifica comunità, i vocabolari forniscono un meccanismo per la comunicazione, sia essa scritta, orale o elettronica, purché il significato dei termini sia noto e concordato dai membri della comunità. Quando un vocabolario è formalmente gestito, diventa un vocabolario controllato. In questo caso "gestito" indica che i termini vengono memorizzati e gestiti con procedure concordate, queste procedure dovrebbero esistere per l'aggiunta dei termini, per modificare i termini e, più raramente, per disapprovare dei termini. Ad esempio, qualora volessimo dare un nome ad un parametro dovremmo scegliere fra una serie di nomi già concordati. Per consentire una gestione ufficiale, un vocabolario controllato può essere organizzato in diversi modi. Ci sono tre grandi categorie di vocabolari controllati: flat, multi-livello e relazionale. flat: sono vocabolari controllati che forniscono una serie di termini usati, alcuni vocabolari controllati flat forniscono ulteriori informazioni su ogni termine; multi-livello: vocabolari controllati in grado di sviluppare un vocabolario controllato flat assegnando ogni termine di una categoria; relazionali: vocabolari controllati che forniscono un insieme di termini, e la modalità con cui sono associati tra loro. Quindi utilizzando set standardizzati di termini nei metadati e nei dati etichetta, si risolve il problema delle ambiguità associate ai dati di marcatura. Questo apre una serie di possibilità per la manipolazione al computer, la distribuzione e il riutilizzo a lungo termine. Un esempio di come i computer possono trarre beneficio dall'uso dei vocabolari controllati: una serie di dati può avere una colonna denominata "temperatura della colonna d'acqua" e un altro potrebbe avere "temperatura acqua" o anche "temperatura". Per l'occhio umano, la somiglianza è evidente, ma un computer non sarebbe in grado di interpretare questi come la stessa cosa a meno che tutte le opzioni possibili non siano impostate nel suo software. Ad esempio in formato ODV nei metadati sono elencate le variabili di cui si sono raccolti i dati e per ogni variabile, che viene indicata col suo nome, vi è una sigla di riferimento; di fianco è indicato anche il numero di vocabolario all interno del quale bisogna andare a ricercare la sigla. Una volta individuato il vocabolario basterà ricercare la sigla al suo interno e ci saranno le informazioni che vogliamo sapere su quella determinata variabile. 18

21 Vediamo un esempio: Fig. 2.3.: descrizione dei metadati in un set di dati in formato ODV. nella Fig all interno del rettangolo rosso si può leggere SDN:LOCAL:Depth questo indica la variabile Profondità e SDN:P021:64:MPMN indica il vocabolario P021, versione 64 e la sigla da ricercare è MPMN. All interno del rettangolo giallo, invece, è riportata l unità di misura della variabile con il relativo vocabolario di riferimento. Si può aggiungere che in questa fase di sviluppo dei sistemi informativi i vocabolari vengono aggiornati continuamente e quindi esistono varie versioni. Se cerchiamo all interno del vocabolario troveremo (Fig. 2.4.): Fig. 2.4.: ricerca all interno di un vocabolario controllato. Quindi la sigla MPMN della Profondità si riferisce alla profondità in cui è ormeggiato lo strumento. 19

22 Fig. 2.5.: descrizione dell intestazione delle colonne di dati in un set di dati in formato ODV. Anche nell intestazione delle colonne dei dati si fa riferimento a dei vocabolari (Fig. 2.5.), ad esempio EDMO_code fa riferimento all European Directory of Marine Organizations. Ciascuna di queste directory ha un up-to-date di nomi e indirizzi delle organizzazioni, che sono coinvolte nell attività di acquisizione dati, elaborazione e gestione e progetti di ricerca. Pertanto, il repertorio europeo delle organizzazioni Marine - EDMO è stata messo a punto per ottimizzare e gestire questi indirizzi e profili di organizzazioni in modo efficiente e in modo coerente. Attualmente, EDMO elenca e descrive più di istituti di ricerca, Data Center Holding, agenzie di monitoraggio, organizzazioni governative e private, che sono in un modo o nell'altro coinvolte in attività di ricerca oceanografica e marina e/o gestione di dati e informazioni o servizi di assistenza. Nel caso dell ENEA Centro Ricerche Marine di Pozzuolo di Lerici il codice di identificazione EDMO è il 136 come si osserva in Fig Nel mondo reale, non è sempre possibile o piacevole per i fornitori di dati utilizzare gli stessi termini, in questi casi, il vocabolario controllato può essere usato come un mezzo per cui i data center sono in grado di classificare i propri termini equivalenti. 20

23 3. Format condivisi. Fino a qualche anno fa tutti i dati provenivano da fonti diverse, soprattutto venivano raccolti solo su richiesta di specifico uso: previsioni climatiche, studio di un ecosistema, etc. Non esistevano delle banche dati dove poterli inserire e conservare nel tempo, consultarli ed eventualmente utilizzarli, su richiesta venivano spediti o inviati su floppy disc o CD-ROM da parte dell ente o dell organizzazione che li possedeva. La situazione col passare del tempo è cambiata e i dati sono ora molti di più, vengono raccolti, conservati ma soprattutto sono raccolti periodicamente e inseriti all interno di banche dati che ne rendono disponibile l uso ai più. L importanza del preservare i dati già raccolti non è mai sottolineata abbastanza: innanzitutto l uso ed il riuso dei dati può essere utile alla società, in più il conservare dei dati può essere meno dispendioso che doverli riacquisire, inoltre i dati servono a dare validità alle pubblicazioni scientifiche, infine è importante conservare dei dati che si rischia di non poter riprendere mai più. La comunità scientifica oceanografica sta compiendo un serio sforzo nell analisi dei dati ambientali marini e nella valutazione degli errori ad essi associati. Il lavoro che viene fatto è tutt altro che facile, dal momento che occorre conoscere i metodi e gli strumenti con cui sono stati osservati i dati, la accuratezza, la precisione e il modo in cui gli stessi dati vengono usati. Inoltre occorre conoscere le condizioni in cui essi sono stati raccolti. Un grosso problema è rappresentato dal dover convertire molti dei dati raccolti dai diversi enti in un formato che sia comune a tutti. Molto spesso i dati vengono raccolti e poi analizzati in formati diversi a seconda di chi li ha raccolti, quindi per poterli diffondere e rendere disponibili per le banche dati è necessario convertirli in formati di uso comune. Ad esempio per poter accedere ai dati da SeaDataNet è necessario che i files siano in un formato definito come standard SeaDataNet. I formati standard sono: Ocean Data View e netcdf. Opzionale, ma non consigliato, è il formato MedAtlas. L infrastruttura mette quindi a disposizione, per chi ne avesse bisogno, i programmi di conversione NEMO e Med2MedSDN. Il software NEMO permette la conversione di tutti i file di tipo ASCII, a SeaDataNet ODV, e a Medatlas ASCII format. In più NEMO utilizza sia vocabolari comuni sia le EDMO directory. I file di input per NEMO possono essere individuali, profili verticali, serie temporali o traiettorie, o file di raggruppamento di diversi profili verticali, serie temporali o traiettorie (CTD, bottiglie, correntometro, etc...). NEMO è in grado di riformattare tutti questi tipi di file, l'unico requisito è che i file siano ASCII, con le misure dei dati in colonne. Tutte le informazioni relative a Ocean DataView si trovano nel sito per netcdf si trovano le informazioni nel sito del programma americano UNIDATA 21